随着厚壁异种钢焊接结构在机械、电力、化工及核工业等大型工业行业的普遍应用,人们对厚壁异种钢的焊接效率、焊接成本、焊接接头在不同情况下的性能,特别是焊接接头在高温下的蠕变性能提出了更高的要求。如何使得厚壁异种钢焊接效率更高、成本更低,并且还能更进一步改善厚壁异种钢焊接接头的高温蠕变性能,已经成为研究者和生产厂家共同关注的问题。超窄间隙焊接技术(UNGW)具有低热输入、高效、低成本、残余应力小等优点,因而在厚壁工件的焊接方面具有比常规窄间隙焊接更加显著的优势。因此,将超窄间隙焊接应用于厚壁异种钢,研究其焊接接头在热时效时的组织结构变化和高温蠕变性能,具有非常重要的实际意义。本文采用H1Cr24Ni13和NiCrMo-3两种焊丝,利用细颗粒焊剂约束的脉冲电弧进行15CrMo和1Cr18Ni9Ti厚壁异种钢的超窄间隙焊接,并将焊接接头在250℃、450℃、650℃三种不同温度下进行不同时间的热时效;利用光学显微分析、能谱分析、显微硬度测试等手段研究了不同热时效过程中焊接接头的组织结构演变,同时考察了焊接接头的高温蠕变性能。填充H1Cr24Ni13奥氏体不锈钢焊丝的焊接接头其焊态(未时效处理)时靠近熔合线一侧的焊缝区冷却速度快,凝固模式为AF模式,胞状晶发达,显微组织由奥氏体和少量铁素体组成;填充的NiCrMo-3焊丝由于其Ni元素含量高,所以无论冷却速率多大,焊缝的凝固模式为A模式,为全奥氏体组织。随着时效温度的增加,当填充H1Cr24Ni13奥氏体不锈钢焊丝的温度增加至250℃、450℃时,熔合线焊缝一侧组织为奥氏体与少量铁素体,组织形态为胞状晶;熔合线一侧为铁素体和少量珠光体。当温度增加至650℃时,熔合线母材一侧显微组织原子的扩散能增加,母材晶粒长大,片状渗碳体颗粒化,产生了颗粒状渗碳体;选用NiCrMo-3镍基合金焊丝作为填充材料时,熔合线一侧热影响区由铁素体与珠光体组成,由于镍含量高,凝固模式为A模式,组织为全奥氏体。与奥氏体不锈钢焊丝相比,时效时间的增加对热影响区组织与凝固过渡层的影响不明显。利用能谱分析仪对填充H1Cr24Ni13的异种钢焊接接头的熔合线两侧进行先扫描分析得,随着时效时间的增加,原子扩散不断进行,使得Fe、Cr、Ni三种元素在熔合线附近的浓度梯度不断下降;由于镍基合金中镍含量相对较多,当选用NiCrMo-3作为异种钢UNGW焊接的焊丝时,Cr、Ni等元素显著增加,Fe元素减少,母材熔合线两侧存在着较为明显的元素浓度梯度,从而有效地抑制了碳的扩散迁移,以提高焊接接头的质量。通过对不同时效温度与时间下两种不同填充材料的焊接接头熔合线附近的硬度值进行测量和分析发现,母材区的硬度值低于焊缝中心区的硬度;且随着时效温度的升高,显微硬度曲线中峰值在减小,熔合线一侧母材与焊缝区的硬度值均下降;填充镍基合金焊丝熔合线两侧的硬度也存在着差异,但与填充H1Cr24Ni13焊丝接头相比,母材与焊缝之间的硬度差值小于奥氏体不锈钢焊丝的硬度差,即采用高镍含量的填充材料能有效改善焊接接头的硬度分布,减少其断裂趋势。本文采用对四种不同外加应力下的接头进行高温蠕变实验,可知外加应力不同,试样会经历三种不同的蠕变阶段,随着外加应力的降低,稳态蠕变阶段时间增加,使得接头蠕变性能更好;试样的外加应力大于最大弹性力时,会产生永久性变形;且当外力超过载荷峰值时,试样会产生“缩颈”现象,进而产生断裂。综上可知,选用H1Cr24Ni13奥氏体不锈钢与NiCrMo-3镍基合金焊丝进行异种钢UNGW焊接,提高Ni元素的含量,可改善焊接接头中凝固过渡层的宽度,由此获得性能良好的焊接接头;通过高温蠕变实验后所得数据可知,减少应力增加,使得断裂趋势下降,可获得力学性能优良的超窄间隙焊接接头。同时,该项研究将为优化异种钢焊接工艺,补充异种钢焊接性理论,并最终实现异种钢UNGW的工业化应用提供理论依据与实验基础。